“固體物理”思政元素挖掘與課堂融入

賈博文 吳 綠 賀振華 葛 華 徐 寧

(武漢理工大學 信息工程學院,武漢 430070)

習近平總書記于2016年在全國高校思想政治工作會議上強調“高校思想政治工作關系高校培養什么樣的人、如何培養人以及為誰培養人這個根本問題,要堅持把立德樹人作為中心環節,把思想政治工作貫穿教育教學全過程”[1]。2017年國家教育部啟動了“高校思想政治工作質量提升工程”,大力推動以“課程思政”為目標的課堂教學改革。專業課程是高校專業教育的重要組成部分,是進行思政教育的重要載體[2]。專業課程的思政教學需要在保持專業內容教學的同時完成思政教育,達到潤物細無聲的效果。如何在該類課程中挖掘、凝練課程思政元素,面向課程思政改革課程教學,已經成為實現“立德樹人”教育目標的重要問題。課程思政實踐表明:思政元素的挖掘和融入需要立足于課程特點[3],構建和課程知識體系相輔相成的課程思政元素體系,實現思政、專業教育相長,德育、智育同頻共振的良好效果。

“固體物理”是電子科學與技術的重要專業課程,主要關注晶體的熱學、電學、光學和磁學方面的性質,涉及“大學物理”“量子力學”“電磁場”等多個先修課程,為本科生在微電子、集成電路方面的學習、研究打下基礎。電子科學專業的“固體物理”教學具有一定針對性,在講授時對與集成電路、光電子器件有關的知識點進行了強化和拓展,如晶體電學性質、半導體、薄膜分析技術等。值得注意的是,在寬口徑教育的大背景下,學生在特定方向上學習時間有限,因此“固體物理”還承擔著引導學生了解微電子產業和學科發展前沿問題的任務。近年來由于國內外形勢的變化,集成電路技術成為制約國家發展的“卡脖子”技術,在“固體物理”中開展課程思政,是培養具有高尚道德情操、認真工作態度、扎實理論基礎的集成電路技術專門人才的重要途徑。

1 “固體物理”課程思政元素挖掘

與人文、實踐類課程相比,“固體物理”雖然包含豐富的思政元素,但是以“隱性”居多,需要基于課程知識點進行深入分析、挖掘并引入相關案例以促進思政與“固體物理”的融合。在長期的教學實踐中,教師已經注意到在“固體物理”教學過程中,通過案例講解知識點對激發學生興趣、幫助學生理解相關知識點有著非常重要作用[4-5]。因此需要將挖掘思政元素和引入案例統籌考慮,并對產業發展熱點和專業前沿有關知識點和案例進行一定的側重。在深入分析知識點和案例所蘊含的思政元素的前提下,構建與知識體系相輔相成的思政元素體系[6]。課堂教學設計時,需基于課程思政要求,注重精講概念、重視應用、引入案例、思政引領,通過知識點引出相關案例,適時切入思政元素,實現思政引領下的知識學習,促進思政教育在專業課程中的深度融入,在培養學生專業知識和能力的同時塑造學生正確的人生觀、價值觀和世界觀。

表1總結了“固體物理”中與愛國主義、創新精神、強國意識等思政元素相關的知識點和引入案例。為了獲得更好的教學效果,需要建立合理的融入思路、設計具體的教學效果并精選案例內容。

表1 教學內容、思政元素和引入案例

2 課堂教學融入思政元素的思路和方式

2.1 愛國主義教育

愛國主義是我們民族精神的核心,也是教育最鮮亮的底色,一代又一代愛國科學家為我國科技進步、產業自主做出了卓越奉獻。X射線衍射技術是分析晶體結構的重要手段,在講授晶體雜質對X射線衍射的影響中,引入黃昆院士首先提出了描述該現象的物理模型——黃散射模型,以及黃院士回國后積極培養半導體人才并創立了我國第一個半導體物理專業的事跡,增強學生的愛國精神,鼓勵他們勇攀科技高峰,用自己所學報效祖國,將個人發展和國家需要緊密結合。

2.2 創新意識和科學精神培養

創新精神是國家科技發展、產業進步的源動力。晶格振動部分的一個關鍵知識點為晶格的非簡諧振動,在講授非簡諧振動導致的晶格熱膨脹時進行適當拓展。介紹集成電路是由不同材料體系構成的復雜結構,因此在設計時必須考慮不同材料的熱膨脹系數,避免電路在使用中因為熱膨脹程度不同(熱失配)而導致損壞。進而引入武漢長江存儲自主研發了Xtracking架構的非易失性存儲器的案例,引導學生思考為什么避免熱失配是實現異質集成Xtracking架構的關鍵,了解異質集成的前沿知識,強調創新是突破卡脖子技術的關鍵,培養學生的創新精神。

固體物理學的發展經歷了多個階段,其根本推動力是學者對經典理論的質疑和對真理的追求。課程在講授晶體結構時,會介紹科學家對晶體結構的早期探索,如惠更斯對雙折射現象探索,阿羽衣提出晶體的有理數指數定理,道爾頓提出原子論、晶體對稱性和空間點陣的研究等內容。教師將引導學生思考科學研究的一般性規律。課程在講授金屬自由電子氣論、能帶論的基本模型時適當插入與這些理論發展、誕生有關的案例,比如工業革命時期科學家對金屬良好導電、導熱性來源的探索;德魯特首先借鑒當時比較成熟的氣體運動論提出了經典金屬自由電子氣論;索末菲敏銳地抓住經典理論中關于熱容、金屬電子的平均自由程結論的錯誤,基于剛剛誕生的量子力學,提出了量子金屬自由電子氣論;布洛赫等人則更進一步,用波函數描述電子運動,進而提出了能帶論,準確區分了導體、半導體和絕緣體。上述案例在促進學生理解理論模型的同時,也可以幫助學生體會科學家在追求真理的道路上實事求是、敢于質疑經典結論以及百折不撓的探索精神。課后可以通過布置開放性作業的方式啟迪學生思考什么是科學精神、科學探索的一般性方法、建設崇尚科學的價值觀等問題。

2.3 強國意識和民族自信心塑造

強國意識是愛國主義的升華,民族自信心是中華民族的核心凝聚力。教師在講解知識點時應該注意結合案例,塑造學生應用所學內容服務國家的意識。通過能帶論理解半導體的電學性質是“固體物理”重要的知識點。在講授這部分內容時,介紹半導體、集成電路對于信息產業的重要意義,引入當前華為、中興等企業被制裁案例,強調獨立自主技術的重要意義。激發學生以所學專業報效祖國的強國意識,并啟發學生思考集成電路產業發展和所學知識的關系,如何應用專業知識突破目前卡脖子技術等問題。

在超導體部分教學中,從超導體發展過程切入,介紹趙忠賢院士獨立發現液氮溫區高溫超導體和發現系列50 K以上鐵基高溫超導體并創造55 K紀錄,引領了全球在該領域的研究[7]。結合之前金屬、半導體、常規超導體導電性部分內容,并以圖表形式進行總結,如表2所示?？梢?相比金屬、半導體領域,中國在鐵基超導體研究中做出了巨大貢獻。教師可再引入其他案例,如在不同時期諾貝爾獎獲得者國籍變化、世界頂尖大學變化、主要研究成果誕生地等,介紹世界科技中心多次轉移的過程,指出中國具有成為世界科技中心的潛力。在此基礎上,塑造學生的強國意識,鼓勵學生投入到高新科技的探索、研發、應用領域,為中國實現科技自主、成為世界科技中心作出貢獻,為世界科技進步交上一份“中國答卷”。

表2 不同物質導電性研究過程對比

太陽電池和半導體的帶間光吸收過程密不可分。教學時,從能源革命切入,介紹以太陽能為代表的綠色能源以及我國太陽電池發展歷程和應用情況。從學習國外先進技術,到進行全產業鏈自主研發,中國太陽電池產業業已成為引領全球產業發展的主導力量。2020年,我國太陽電池產量達134.8 GW,光伏組件產量達124.6 GW,連續14年位居全球首位[8]?？萍脊ぷ髡邽樘栯姵貒a化、核心設備本土化做出了卓越貢獻,解決了硅單晶提煉、電池結構、逆變器等技術難點。中國已經在西部太陽能資源豐富地區建設了大量太陽能電站,為解決國內能源短缺,降低碳排放做出了積極貢獻。以習近平同志為核心的黨中央做出的“2060年實現碳中和”的重大戰略決策,太陽能為代表的清潔能源將在未來40年內迎來更大的發展。中國太陽電池的發展表明中國人民有能力后來居上、攻克技術難點、實現自主可控的高科技產業。結合之前提到的華為、中興、長江存儲案例,讓學生意識到目前我國在集成電路領域的落后是暫時的,只要堅持科技攻關,就一定能夠打開中國集成電路產業的新局面。通過這些案例,增強民族自信心,鼓勵學生學以致用,為實現“中國芯”“碳中和”目標而不懈努力。

2.4 應用馬克思主義哲學思想分析課程知識點

馬克思主義哲學深刻地揭示了世界發展的普遍規律,“固體物理”和馬克思主義辯證法存在著緊密的聯系。金屬電導率與溫度相關,受到多個散射機制的影響,幫助學生理解不同溫度下的主要散射機制和影響是教學的難點,同時啟發學生思考如何處理類似問題,提出應用主要矛盾和矛盾轉化觀點。在一般溫度范圍內,金屬電導率主要受到晶格振動散射的影響,晶格振動散射隨著溫度升高而增強。但是在極低溫下存在著特殊矛盾——缺陷導致的剩余電阻,此時雜質散射為主要矛盾。最后安排課堂討論案例“合金電導率和溫度的關系”,培養學生應用矛盾論結合所學知識分析物理現象的能力。

3 “固體物理”課程思政的反饋和改進

對教學效果進行調研和分析,是持續改進課程思政教學方案、實現良好教學效果的保證。授課期間主要通過以下三種方式獲得反饋:以隨堂聽課的方式,獲得學校督導專家、高年資教師的反饋;通過調查問卷的方式,獲得學生的反饋;通過師生座談會的方式,進行師生面對面深入交流。根據102名學生和5名教師的反饋結果,“固體物理”的課程思政教學應該從以下三個方面改進:

(1)提高授課教師思政教育能力。與思政課程教師相比,專業課教師在進行課程思政教學時還存在一定的不足。比如對案例內容和涉及的知識講授過多,弱化了對案例中思政元素的提高和升華。因此教師需要加強思政理論和教育方法方面的學習和提高,加強同思政課程教師的交流。

(2)用好多種教學方式,思政元素的良好融入離不開教育方式的推陳出新。在課堂講授和討論之外,教師應該善用現代信息和媒體技術,通過在線教學平臺、QQ群、網盤等及時分享思政案例、觀點及感想。開展線上、線下師生讀書會,分享課程思政學習感受。采用翻轉課堂,讓學生主動尋找案例、挖掘思政元素,加強對于課程思政的思考和實踐。

(3)加強對課程知識體系和思政元素的統籌規劃。目前對于思政元素的挖掘基于課程原有大綱,思政教學跟隨理論教學逐步推進。實際案例往往涉及多個知識點以及不同的思政元素,過于碎片化的安排會削弱課程思政效果,因此必須加強對知識點、思政元素的統籌規劃。課程可以學科前沿、社會熱點問題為導向建設專題,包含相關知識點和思政元素,幫助學生建立學科知識與思政內容的有機聯系,實現知識傳授、能力培養、價值引領三者相輔相成的教學目標。

4 結語

作為電子科學與技術專業的核心課程,“固體物理”為學生理解電子器件運行背后的物理規律,以及進一步學習集成電路、光電子器件相關知識打下了基礎。目前相關領域的發展受到了國家和社會的廣泛關注,產業發展迫切需要德才兼備的專業人才。因此,“固體物理”課程在承擔傳授知識的同時,更要強調進行價值引領,提高學生的綜合素質。本文以在“固體物理”中發掘思政元素為出發點,嘗試以案例為載體,探索“固體物理”中獨有的思政資源,在此基礎上進行課堂教學設計,促進專業、思政教育相互交融發展,通過思政引領促使學生在更高層次思考所學知識、培養創新能力、提高道德修養,落實“三全育人”的教育理念。本文提出的模式可以推廣到電子學科相關課程,實現專業課程和思政課程交相輝映,將“大思政”理念貫徹到專業教育的方方面面,實現立德樹人的培養目標。